(57)【要約】  【課題】  プロジェクタに用いるプリズムに代表される光学素子は、不要光しか透過しない部分も高品質な光学ガラスを材料として高精度に加工する大型で高価な光学素子にしなければならなかった。  【解決手段】  ガラスプリズム２２〜２４と、ガラスプリズム２２〜２４の所定の側面と面接触する、前記プリズムの材料と異なる、光透過性を有する材料で構成された樹脂体２１とを備え、樹脂体２１の材料の屈折率とガラスプリズムの材料の屈折率との差は、ガラスプリズムの材料の屈折率と空気の屈折率との差よりも小さいものを用いた。【選択図】図１
2005300991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリズムと、
前記プリズムの所定の側面と面接触する、前記プリズムの材料と異なる、光透過性を有する材料で構成された光導入体とを備え、
前記光導入体の材料の屈折率と前記プリズムの材料の屈折率との差は、前記プリズムの材料の屈折率と空気の屈折率との差よりも小さい、光学素子。
【請求項２】
前記プリズムから出射した光を、投射レンズに入射するための利用光と、不要光として、前記プリズムに向けて反射させる反射型画像表示素子をさらに備え、
前記所定の側面は、前記利用光が入射されず、かつ前記不要光の全部または一部が入射される面である、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光導入体の前記材料の屈折率と前記プリズムの前記材料の屈折率との差は、実質上±０．２の範囲内にある、請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光導入体の材料は樹脂材料である、請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記樹脂材料は、シリコーンゴム、アクリル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ノルボルネンのいずれかである、請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光導入体の材料は、汎用ガラスである、請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記汎用ガラスは、ソーダライムガラスまたは硼珪酸ガラスである、請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の光学素子と、
前記プリズムを介して前記反射型画像表示素子に光を入力する光源と、
前記利用光を集光して外部へ投射する投射レンズとを備えたプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ等の光学機器に装着して使用される、プリズムを有する光学素子およびそれを用いたプロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プリズムが用いられる光学機器は複雑な光束経路で構成されるものが多く、プリズム内を透過する光の方向は一方向でないことがよくある。それらの光学機器の中には、必要な光と最終的には利用しない不要光とがプリズムに入射して透過させるものがある。
【０００３】
その不要光と必要光をプリズムに透過させる光学機器の一例として、例えばＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）として実現されるような画像表示素子を用いるプロジェクタが挙げられる（例えば、特許文献１（図１）を参照）。このようなプロジェクタは、１枚の光変調素子と２個のプリズムセットが用いられている。
【０００４】
次に、図７は、上記のプロジェクタと同様の原理で動作する、従来の技術によるプリズムおよび画像表示素子を有する光学素子を備えたプロジェクタの構成図である。
【０００５】
これは、光の三原色のそれぞれに対応した画像表示素子６０，６１および６２をそれぞれ備えたガラスプリズムａ５２〜ガラスプリズムｃ５４を組み合わせた構成を有し、図示しないランプ光源からの照明光を、各プリズムの界面に成膜されたダイクロイック膜により赤青緑の３色に分解してから、各画像表示素子に照射させて、利用光および不要光を得るようにしている。ガラスプリズムａ５２とｂ５３の界面７１には、ほぼ白色の照明光６３から青色の光を分離して反射するダイクロイック膜が形成されており、分離された青色光はガラスプリズムａ５２に装着した画像表示素子６０に照射される。青色光が分離された後の照明光はガラスプリズムｂ５３内を透過してガラスプリズムｂ５３とｃ５４の界面７２に形成した赤反射ダイクロイック膜により、赤色光のみを反射してガラスプリズムｂ５３に装着された画像表示素子６１に照射する。ガラスプリズムｃ５４には緑色の照明光が透過してガラスプリズムｃ５４に装着した画像表示素子６２に照射する。３個の画像表示素子６０〜６２は、対応する各色の画像の光を前方に反射して利用光として前方に出射する。
【０００６】
反射光のうち、必要光は図中矢印６４の方向から射出され、各画像表示素子６０〜６２から射出された不要光は、図中矢印６５ａ〜６５ｃの方向、すなわち、必要光の射出方向６４と斜交する、光学素子の上斜め方向に射出されることになる。
【０００７】
さらに、図８に、上記光学素子内における光の経路を示す。図８は、説明のために、図５のＡ−Ａ′断面における光学素子内の光路を、画像表示素子６２に関するもののみ示した図である。ただし、画像表示素子６２により照明光６３が反射されて生じた光を集光し、外部へ投射する投射レンズ５６も示した。
【０００８】
図８に示すように、図示しない光源から導入された照明光６３は、ガラスプリズム５２ａ〜５２ｃを通過する。ガラスプリズム５２ｃの照明光６３が外部へ出射される側の端面に配置された反射型の画像表示素子６２に到達する。画像表示素子６２は照明光５７を外部からの制御信号に応じて、画像として最終的に投射レンズ５６へ投射する必要光６４と、投射レンズ５６へ投射せず最終的に利用しない不要光６５ａとに振り分けて反射し、この反射の切り替え制御によって照明光６３を変調して、画像信号を生成する。
【特許文献１】特開２００１−４２２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図７，８に示す光学素子においても、画像表示素子の光変調により、画像信号として用いられない不要光が発生するが、ガラスプリズムにおいては、不要光を投射レンズ外に導くため、不要光しか透過しない大きな部分が存在している。
【００１０】
図７、８に示す、ガラスプリズムａ５２〜ガラスプリズムｃ５４の集積体を、図中破線で区切ってなる不要光透過部６７がこれに相当する。
【００１１】
不要光透過部６７のような部分が存在する理由は以下の通りである。すなわち、図８に示すように、例えばガラスプリズム５１から不要光透過部６６を省いた構成とすると、図中破線部で区切られた面がガラスプリズムａ５２〜ガラスプリズムｃ５４の新たな端面を形成することになるが、このとき、不要光６５ａは、図中点線に示すように、この端面によりガラスプリズムａ５２〜ガラスプリズムｃ５４内で全反射して、必要光６４と一緒に投射レンズ５６へ射出され、必要光６４の光学的品質を劣化させる。また、投射レンズ５６に直接に射出されることがなくても、ガラスプリズムａ５２〜ガラスプリズムｃ５４内で反射、屈折を繰り返すことにより、やはり必要光６４に混じって射出されて光学的品質を劣化させる。
【００１２】
そのため、ガラスプリズムにおいては、不要光をガラスプリズム内で反射させずに、外部へ出射させるための不要光透過部が不可欠となっていた。
【００１３】
しかしながら、ガラスプリズムａ５２〜ガラスプリズムｃ５４は、必要光の光学的品質を劣化させないために、材料として、ＢＫ７等の、屈折率が極めて均一に揃い内部に脈理などの無い高品質な光学ガラスを用いて、形状も表面の平面度と各面のなす角度を光学レベルの極めて高い精度に仕上げ加工するものである。そして大きな不要光透過部のために大型なプリズムを、高品質な光学ガラスを用いて高精度加工しなければならないので、高価で生産性も悪いという課題がある。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、不要光の処理を可能にしつつ、安価で生産性の高い光学素子およびそれを用いたプロジェクタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、プリズムと、
前記プリズムの所定の側面と面接触する、前記プリズムの材料と異なる、光透過性を有する材料で構成された光導入体とを備え、
前記光導入体の材料の屈折率と前記プリズムの材料の屈折率との差は、前記プリズムの材料の屈折率と空気の屈折率との差よりも小さい、光学素子である。
【００１６】
また、第２の本発明は、前記プリズムから出射した光を、投射レンズに入射するための利用光と、不要光として、前記プリズムに向けて反射させる反射型画像表示素子をさらに備え、
前記所定の側面は、前記利用光が入射されず、かつ前記不要光の全部または一部が入射される面である、第１の本発明の光学素子である。
【００１７】
また、第３の本発明は、前記光導入体の前記材料の屈折率と前記プリズムの前記材料の屈折率との差は、実質上±０．２の範囲内にある、第１の本発明の光学素子である。
【００１８】
また、第４の本発明は、前記光導入体の材料は樹脂材料である、第１から第３のいずれかの本発明の光学素子である。
【００１９】
また、第５の本発明は、前記樹脂材料は、シリコーンゴム、アクリル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ノルボルネンのいずれかである、第４の本発明の光学素子である。
【００２０】
また、第６の本発明は、前記光導入体の材料は、汎用ガラスである、第１から第３のいずれかの本発明の光学素子である。
【００２１】
また、第７の本発明は、前記汎用ガラスは、ソーダライムガラスまたは硼珪酸ガラスである、第６の本発明の光学素子である。
【００２２】
また、第８の本発明は、第１から第７のいずれかの本発明の光学素子と、
前記プリズムを介して前記反射型画像表示素子に光を入力する光源と、
前記利用光を集光して外部へ投射する投射レンズとを備えたプロジェクタである。  
【発明の効果】
【００２３】
以上のような本発明によれば、不要光の処理を可能にしつつ、安価で生産性の高い光学素子およびそれを用いたプロジェクタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による光学素子の構成図である。基本的な構成は図５、６に示すものと同一であって、光の三原色のそれぞれに対応した画像表示素子２５，２６および２７をそれぞれ備えたガラスプリズムａ２２〜ガラスプリズムｃ２４を組み合わせた構成を有する。なお、画像表示素子２５〜２７は、例えばＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）として実現され、照明光を外部からの制御信号に応じて、画像として最終的に図示しない投射レンズへ投射する必要光と、投射レンズへ投射されることが意図されるものではなく最終的に利用しない不要光とに振り分けて反射し、この反射の切り替え制御によって照明光を変調して、画像信号を生成する。また、画像表示素子２５〜２７は、各ガラスプリズムａ２２〜ｃ２４に対して面接触するように配置されていてもよいし、所定の間隔をおいて配置するようにしてもよい。
【００２６】
本実施の形態の光学素子は、図７、８に示す従来例と異なり、ガラスプリズムａ２２〜ガラスプリズムｃ２４は、不要光のみが出射する上側面で大きくカットされた構成を有し、不要光透過部６７に相当する部分を持たない。その代わりに不要光透過部６７と実質同一形状の樹脂体２１が面接触して、ガラスプリズムａ２２〜ｃ２４と一体化している。
【００２７】
ガラスプリズムａ２２〜ｃ２４の材料としては、投写画像の解像度を高く保つために、屈折率が均一に揃った光学ガラスを用いて、形状精度も高い精度が求められる。材料としては屈折率１．５１６のＢＫ７を用いる。
【００２８】
樹脂体２１の材料としては、ＢＫ７と近似した屈折率１．５０のシリコーンゴムを用いる。シリコーンゴムとガラスプリズムのＢＫ７とでは、実質的には或る程度の差異はあるが、屈折率差は平均０．０１６と小さい。またバラツキ幅は０．０１と大きく、形状精度についても平面度０．５ｍｍ以上、角度公差１度以上あっても支障なく、安価な材料で加工も容易に製作することが可能である。また、シリコーンゴムは粘着性があるので接着剤を用いずに押し付けるだけでガラスプリズムの端面に密着させることも可能である。
【００２９】
次に、図２に、上記光学素子内における光の経路を示す。図２は、説明のために、図１のＡ−Ａ′断面における光学素子内の光路を、画像表示素子２７に関するもののみ示した図である。ただし、画像表示素子２７により照明光７が反射されて生じた光を集光し、外部へ投射する投射レンズ６も示した。
【００３０】
以上のような構成とすることにより、ガラスプリズムａ２２〜ｃ２４と樹脂体２１とは、その内部が光学的に一様な組成を有する、一個のプリズムと見なすことができ、ガラスプリズムａ２２〜ｃ２４内を通過する不要光９は、ガラスプリズムａ２２〜ｃ２４と樹脂体２１との界面においても、反射することなく透過し、樹脂体２１の表面から外部へ射出される。なお、外部へ射出された不要光９はプロジェクタ内部で反射して利用光に混入しないようにガラスプリズムａ２２〜ｃ２４に隣接あるいは離れた位置に配置した黒体で吸収することがよく行われる。また、不要光９は光の波面精度や画像の解像度を維持する必要がなくガラスプリズムａ２２〜ｃ２４外に透過させるだけでよいので、樹脂体２１の材質としてはシリコーンゴムに限定する必要はなく、光学的品質が劣り安価な他の樹脂を用いてもよい。
【００３１】
なお、ガラスプリズムａ２２〜ｃ２４は、投写画像の解像度を高く保つために、屈折率がプリズム内部とプリズム間とでバラツキのない材料を用いる。屈折率バラツキは±０．００１以内、平面度は０．００５ｍｍ以内、角度公差１０分以内が望ましい。
【００３２】
また、上記の説明においては、樹脂体２１は本発明の光導入体に相当するものであり、その材料としてシリコーンゴムを用いたが、本発明の光導入体はこれに限るものでなく、アクリル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ノルボルネンが好適であり、また前記材料に限らず、安価な透明な樹脂材料であれば良い。いずれの材料でも不要光を透過する機能を果たし、かつ光学ガラスのような、ガラスプリズムの材料より安価に生産性良く光学素子を製造することが可能である。
【００３３】
また、上記の説明においては、本発明の光導入体として屈折率１．５０のシリコーンゴムを用いたが、本発明の光導入体を構成する材料の屈折率について、図３、図４を参照しながら説明を行う。図３，４は縦軸の目盛りが異なるだけで同じ内容であり、本発明のプリズムの材料としての屈折率１．５１６のＢＫ７光学ガラスに隣接する媒体の屈折率を空気の１．０から１．８まで変えた場合の、プリズムから媒体に向かう波長５５０ｎｍの光の入射角が０度から９０度まで変えた場合の反射率（％）を示すグラフである。図３は反射率０〜１００％までの変化を示し、図４は反射率０〜２％までの変化を拡大して示す。
【００３４】
図３のように、光導入体がなく、プリズムの界面が空気と接する場合は０度入射でも４％の反射があり不適である。
【００３５】
次に光導入体の屈折率が１．３２（ＢＫ７の屈折率との差は０．１９６）の塗りつぶし四角でプロットした場合は０度入射でも反射率０．５％以下であり、入射角２０度までは反射率は実質上０．５％以下となり、十分に小さく有効である。したがって、少なくとも光導入体の材料は、その屈折率とプリズムの材料の屈折率との差が、プリズムの材料の屈折率と空気の屈折率との差よりも小さくなるようなものであれば、所期の効果が得られる。
【００３６】
さらに、白抜き四角でプロットした屈折率１．７２（ＢＫ７の屈折率との差は０．２０４）でも０度入射反射率は０．３９％と小さく、入射角４０度までは反射率は実質上０．５％以下となり、十分に小さく有効である。
【００３７】
さらに、塗りつぶし三角でプロットしたアクリルの屈折率１．４９の場合と、白抜き三角でプロットしたポリカーボネートの屈折率１．５８の場合（ＢＫ７の屈折率との差は０．０６４）は、０度入射反射率は０．１％以下、６０度入射反射率でも０．３％以下と非常に小さな反射率であり、光導入体として最適な材質である。
【００３８】
またバツ印でプロットした屈折率１．８（ＢＫ７の屈折率との差は０．２９６）の場合は０度入射でも反射率０．７％以上あり、プリズムの後の投写レンズに相当の不要光が入り込んで投写画像が劣化した。
【００３９】
以上のことから、光導入体の屈折率については、プリズムの材料の屈折率との差が、実質上±０．２の範囲内とするのが最も望ましいと言える。
【００４０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、外観上は実施の形態１と同様であるが、光導入体の材質として、上述した樹脂の代わりに汎用ガラスを用いるものである。さらに一般に白板ガラスと呼ばれる硼珪酸ガラスや青板ガラスと呼ばれるソーダライムガラスが好適である。ガラスであっても光学ガラスに比べて屈折率バラツキや内部均一性などの光学的品質は低レベルでよくコストダウンができる。またガラスで構成する場合は樹脂よりも耐熱性が高いという長所もある。
【００４１】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を図５に示す。図５の光学素子において、図５と同一部または相当部には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施の形態は、ガラスプリズムの外形から簡略化した形状を有する樹脂体３１にて光導入体を構成した点が、実施の形態１、２と異なる。材質は上記実施の形態と同様、樹脂かあるいは汎用ガラスであればよく、本例ではアクリル樹脂を用いて接着剤で接合してプリズムと一体化した光学素子としている。また不要光の経路でない部分は削って体積を減らすために図の上方の面は斜めにカットした形にしている。なお、比較の為に、図１の樹脂体２１の外形を、図中点線にて示した。この形態では、光導入体を面数の少ない簡素な形にすることで生産性が高まりコストダウンもできる。
【００４２】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４を図６に示す。本例では、ガラスプリズムを、２個の光学ガラス製プリズムにより構成し、その内の１個のプリズムに汎用ガラスあるいは樹脂からなる光導入部を接合した構成である。本例では、白板ガラスと呼ばれる硼珪酸ガラスを材質としている。以下、詳細な構成と共に動作を説明する。
【００４３】
図示しないランプ光源からの照明光４６は第１のガラスプリズム４２の側方から入射し内面反射を経て画像表示素子４４に照射する。画像表示素子４４は画像の光を反射して利用光４７として第２のガラスプリズム４３を透過して前方に出射し、第２のガラスプリズム４３の前方に配置した投写レンズ４５に入射して最終的には図示しないスクリーンに投写して画像を表示する。画像として用いない不要光４８は、画像表示素子４４から利用光４７の反射方向とは異なる斜め方向に反射されて第２のガラスプリズム４３内を透過して、接合されたガラス体４１に入射し、この内を透過して、投写レンズ４５に入射しない方向に出射していく。このとき、ガラス体４１を通過せず、利用光４７が射出するのと同一の端面から射出される不要光４８もあるが、これは投射レンズ４５に入射されないので影響を与えることはない。つまり、ガラス体４１は、プリズム４３の側面であっても、必ずしも不要光の全部が入射される位置に設けられなくともよく、その一部のみが入射されるような配置であってもよく、プリズムの形状によって配置位置が限定されるものではない。これは上記の各実施の形態においても同様である。
【００４４】
なお、ガラス体４１を構成するガラスの屈折率は１．５０２で、そのバラツキは０．００５あり、加工精度は平面度０．１ｍｍ、あるいは角度誤差２度程度あってもよく、全て一体の光学ガラスプリズムの場合より安価に実現できる。安価で精度の低い材料を用いても十分に必要な機能を発揮できる。
【００４５】
なお、本発明のプリズムは、実施の形態１〜３の構成においてはガラスプリズムａ２２〜ガラスプリズムｃ２４の３つのプリズムを一体としたプリズムとして実現され、実施の形態４においては第１のガラスプリズム４２および第２のガラスプリズム４３を組み合わせて一体化したプリズムとして実現されたが、本発明のプリズムは、その実現には単体のプリズムを用いてもよいし、また複数のプリズムを組み合わせてなるプリズムを用いてもよい。
【００４６】
また、すでに述べたように、本発明の光導入体は、各実施の形態においては、樹脂体１，２１，３１，ガラス体４１に相当するが、光導入体は、その材料の光学的性質のみによって限定され、他の物理的性質や化学的性質によって限定されるものではない。少なくとも光透過性を有し、その屈折率とプリズムの材料の屈折率との差が、空気の屈折率とプリズムの材料の屈折率との差より小さくなるような材料であれば、所期の効果が得られる。また、本発明のプリズムも、ＢＫ７を例にしたが、他の光学ガラスでもよいし、所望の材料を用いたプリズムであってよい。
【００４７】
また、本発明の反射型画像表示素子は、各実施の形態における画像表示素子として実現されるが、利用光および不要光を発生させる素子であれば、ＤＭＤ以外の表示素子によって実現してもよい。
【００４８】
また、本発明の光学素子は、各実施の形態における、ガラスプリズムと、樹脂体またはガラス体と、画像表示素子で構成されるが、これに投射レンズおよび光源を加えたプロジェクタも本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明にかかる光学素子およびそれを用いたプロジェクタは、不要光の処理を可能にしつつ、安価で生産性が高い効果を有し、プロジェクタ等の光学機器等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１の構成図
【図２】本発明の実施の形態１の断面図
【図３】本発明の実施の形態１を説明するための図
【図４】本発明の実施の形態１を説明するための図
【図５】本発明の実施の形態３の構成図
【図６】本発明の実施の形態４の構成図
【図７】従来の技術による光学素子を示す図
【図８】従来の技術による光学素子の断面図
【符号の説明】
【００５１】
２１  樹脂体
２２  ガラスプリズムａ
２３  ガラスプリズムｂ
２４  ガラスプリズムｃ
２５〜２７  画像表示素子
６  投写レンズ
７  照明光
８  利用光
９  不要光
【図１】
2005300991.tif 000003
【図２】
2005300991.tif 000004
【図３】
2005300991.tif 000005
【図４】
2005300991.tif 000006
【図５】
2005300991.tif 000007
【図６】
2005300991.tif 000008
【図７】
2005300991.tif 000009
【図８】
2005300991.tif 000010